[发明专利]一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法

说明书

一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法，首先建立探测器高度和垂向速度的二阶动力学系统、探测器测距的虚拟高度，使用探测器测距的虚拟高度建立探测器高度和垂向速度的统一线性方程，并得到最优无偏估计，进而得到高度和垂向速度的鲁棒估计，然后建立探测器相对于行星的速度的动力学方程、探测器测速敏感器的测量方程，进而得到探测器速度的统一线性方程及线性无偏估计，最后根据探测器相对于行星的速度的线性无偏估计，借助方差上界理论得到探测器相对于行星速度的鲁棒估计。

技术领域

本发明涉及火星和深空探测软着陆任务的自主导航领域，特别是一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法。

背景技术

火星探测任务的进入、降落与着陆段(Entry，Descent，and Landing，简称EDL)是火星探测器近7亿千米旅途的最后6、7分钟，是火星表面探测任务的关键阶段，也是最困难的阶段。EDL技术也是火星表面探测任务的关键技术之一。从火星探测器以2万千米每小时的速度进入火星大气开始，经历大气减速，降落伞拖拽，动力减速等一系列的阶段，最终为了确保安全精确地降落在火星表面。

火星探测的失败案例中较多是由于火星着陆器在下降着陆过程中出现意外，导致整个探测任务的失败。苏联的火星-6于1973年08月05日发射，着陆器在下降期间出现故障，失去了与地球的联系；美国1999年01月03日发射的火星极地着陆器，在着陆下降期间通信丧失，着陆器坠毁；欧空局在2003年6月2号发射的火星快车/猎兔犬-2的火星着陆器也在着陆过程中坠毁。可见火星着陆探测EDL过程技术是保证任务成功的关键技术，需要深入展开研究。

EDL过程的导航是决定飞行任务能否成功的关键技术之一。在抛大底之前，由于防热罩的保护作用，着陆器仅能依赖于IMU进行惯性导航，其初始位置在进入前由地面测控给出，初始姿态由姿态敏感器，比如星敏感器给出。由于初始条件误差和IMU测量误差的影响，惯性导航的外推误差会随着时间的推移而增大，如果单纯依靠惯性导航计算，在接触火星表面时的位置和速度误差太大，不能保证着陆安全，因此必须在抛大底以后，引入测距测速修正。

为了获得三维速度信息需要三个波束的速度测量，而为了获得高度信息则需要一个波束的距离测量，而为了提高导航系统的冗余性和可靠性，则一般采用多个波束进行测量。但是这也给测距测速+惯性的融合算法研制带来了挑战，首先由于共有的姿态信息以及测量噪声和状态相关，使得每个波束的测量是彼此相关的，而且这些相关性很难解析计算出来，如果简单的忽略这些相关性去设计融合算法，则有可能会使得滤波发散导致任务失败；其次，采用多个波束势必会增加速度计算量，而星上计算能力有限，很难采取实时的卡尔曼滤波技术进行估计，如何设计计算量小的融合算法也是需要考虑的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对火星着陆段的测距和测速修正过程，由于姿态的耦合以及测量噪声其他的影响导致相关未知的情况，提供了一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法，实现鲁棒估计。并考虑星上计算约束，实现实时估计。

本发明的技术解决方案是：一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法，包括如下步骤：

(1)建立探测器高度和垂向速度的二阶动力学系统；

(2)根据探测器高度和垂向速度的二阶动力学系统确定探测器测距的虚拟高度；

(3)使用探测器测距的虚拟高度建立探测器高度和垂向速度的统一线性方程，并得到最优无偏估计；

(4)根据最优无偏估计得到高度和垂向速度；

(5)建立探测器相对于行星的速度的动力学方程；

(6)建立探测器测速敏感器的测量方程；

(7)根据探测器相对于行星的速度的动力学方程、探测器测速敏感器的测量方程得到探测器速度的统一线性方程及线性无偏估计；